湯河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)

胡耘赫

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

受自然環(huán)境和人類活動(dòng)影響湖庫(kù)水系統(tǒng)被輸入大量營(yíng)養(yǎng)鹽，使得水系統(tǒng)原來(lái)較低的貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I(yíng)養(yǎng)水平，這種現(xiàn)象即為富營(yíng)養(yǎng)化[1- 3]。湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化為藻類的生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的自然條件，綠藻、硅藻的大量生長(zhǎng)使得原本藍(lán)色的水體逐漸變成綠色，經(jīng)過(guò)不斷的積累湖庫(kù)水質(zhì)開(kāi)始下降。從發(fā)展歷程的角度，湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化屬于一個(gè)正常的過(guò)渡過(guò)程，自然狀態(tài)下其發(fā)展速度極為緩慢，一般用地質(zhì)年代來(lái)衡量，然而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和不合理的人類活動(dòng)大大加快了此演化過(guò)程[4- 6]。

為科學(xué)防治湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化以及準(zhǔn)確評(píng)估富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提出了許多方法，并取得了豐富的研究成果。湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化受生物因子、湖庫(kù)地質(zhì)狀況、降水、光照、溫度以及氨氮等因素影響顯著，對(duì)其狀況評(píng)價(jià)的常用方法為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法。由此，管理部門(mén)可以更加全面地了解湖庫(kù)的歷史變化趨勢(shì)及其營(yíng)養(yǎng)化狀況，但仍需進(jìn)一步預(yù)測(cè)營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)湖庫(kù)水體的主動(dòng)管理。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)方法

本文結(jié)合湯河水庫(kù)2005—2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，選用規(guī)范推薦的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)湯河水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，評(píng)價(jià)因子選取總氮、總磷、CODMn、葉綠素a(Chla)。湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)按照連續(xù)數(shù)字0～100劃分，富營(yíng)養(yǎng)(TLI>50)、中營(yíng)養(yǎng)(30≤TLI≤50)、貧營(yíng)養(yǎng)(TLI<30)，同一等級(jí)中指數(shù)值越大營(yíng)養(yǎng)程度越高。通過(guò)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)指數(shù)變化趨勢(shì)，對(duì)水庫(kù)未來(lái)5a風(fēng)險(xiǎn)水平運(yùn)用累計(jì)概率密度函數(shù)和線性回歸法預(yù)測(cè)。

1.2 預(yù)測(cè)模型

目前，常用的江河、湖泊、水庫(kù)等營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)方法有支持向量機(jī)模型、BP網(wǎng)絡(luò)、決策樹(shù)法及回歸分析法等[7- 10]。其中，回歸分析法現(xiàn)已普遍應(yīng)用于海洋懸浮泥沙、大氣污染預(yù)測(cè)、水質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)等環(huán)境領(lǐng)域，該方法以大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)分析為基礎(chǔ)，將自變量、因變量利用合適的非線性或線性模型加以擬合，利用擬合的回歸方程構(gòu)造回歸模型[11- 12]。因此，大量環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為回歸分析法預(yù)測(cè)的重要基礎(chǔ)，在長(zhǎng)序列水質(zhì)監(jiān)測(cè)及環(huán)境穩(wěn)定的條件下，可以對(duì)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化變化進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。為保證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，假設(shè)圍繞期望值波動(dòng)的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)符合正態(tài)分布，利用該方法預(yù)測(cè)和評(píng)估湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)2005—2018年湯河水庫(kù)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，對(duì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)期望值利用一元線性回歸模型TLI=a×Year+b預(yù)測(cè)，其中a、b值按照最小二乘法確定，Year為年份。采用以上回歸模型可以獲取任一指定年份i的TLIi值，圍繞期望值TLI第i年的TLIi值存在波動(dòng)，且服從正態(tài)分布：TLI～N(aYear+，σ)，其中σ為無(wú)偏估計(jì)，表達(dá)式如下：

(1)

式中，Year—自變量，指定年份TLI大于50的情況下湖庫(kù)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，發(fā)生概率的計(jì)算公式如下：

(2)

1.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

將水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域按照低、較低、中、高4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2 湯河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

湯河水庫(kù)地處東經(jīng)123°21′46.4″、北緯41°06′41.1″，屬于一座集城市供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)護(hù)、灌溉等功能的大Ⅱ型水利樞紐工程。集水面積1228km2，庫(kù)區(qū)面積44km2，總庫(kù)容7.23×106m3，最高水位48.5m。在引蘭河、細(xì)河引水工程實(shí)施后，湯河水庫(kù)向工業(yè)和城市生活用水的可供水量為2.304×108m3，每年向遼陽(yáng)市、鞍山市供水8×107m3和1.508×108m3，向下游區(qū)間農(nóng)業(yè)用水補(bǔ)償7.55×107m3。因此，湯河水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化程度直接關(guān)系著鞍山市、遼陽(yáng)市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及居民生活水平[13- 20]。

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)工程的滯后，使得大量工業(yè)廢水、農(nóng)田灌溉和生活污水排入江河、湖庫(kù)中，導(dǎo)致江河、湖海近岸營(yíng)養(yǎng)鹽大量富集，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨突出，并為藻類的生長(zhǎng)提供了有利自然條件，其中夏秋季5—10月屬于藻類生長(zhǎng)旺季，對(duì)城市供水安全產(chǎn)生潛在威脅。湯河水庫(kù)共設(shè)置了東叉頭、東叉中、西叉頭、西叉中、壩前、庫(kù)中6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，從而了解二道河支流入庫(kù)后水質(zhì)、庫(kù)區(qū)東叉頭中心區(qū)域水質(zhì)、下達(dá)河支流入庫(kù)后水質(zhì)、庫(kù)區(qū)西叉中心區(qū)域水質(zhì)、庫(kù)區(qū)流出水質(zhì)以及庫(kù)區(qū)中心區(qū)域水質(zhì)。依據(jù)湯河水庫(kù)2005—2018年逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)及其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)利用上述方法和模型進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

2.2 綜合營(yíng)養(yǎng)分析

隨時(shí)間變化各點(diǎn)位綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均呈現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)，如圖1所示。其中，庫(kù)中、西叉中、東叉中和東叉頭4個(gè)斷面未出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，TLI波動(dòng)變化區(qū)間為16～51，且上升趨勢(shì)不明顯；西叉頭、壩前2個(gè)斷面大多數(shù)時(shí)間為中營(yíng)養(yǎng)，2005—2018年間出現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)的僅有1次，TLI波動(dòng)區(qū)間16～54；總體而言，外界污染對(duì)湯河水庫(kù)水質(zhì)干擾較低，水體總體較好，但存在富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算各點(diǎn)位TLI均值，壩前、庫(kù)中、西叉中、東叉中、西叉頭、東叉頭TLI平均值依次為32.5、34.6、35.1、36.0、36.5、37.2，表明從下游至上游湯河水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)不斷上升，TLI平均值表現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，但各點(diǎn)位TLI值不超過(guò)40；此外，從下游至上游高危害程度的富營(yíng)養(yǎng)化事件也不斷上升，特征污染物在水庫(kù)下游的輸入較小，所以在水體自凈和稀釋作用下污染物濃度不斷減少。

根據(jù)湯河水庫(kù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2014年湯河水庫(kù)發(fā)生的金藻門(mén)的色金藻水華涉及水體水域面積不大、持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)供水影響較小，但相關(guān)部門(mén)絕不能放松警惕，農(nóng)業(yè)及農(nóng)村生活等面源污染含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，隨著入庫(kù)河流流入到庫(kù)區(qū)內(nèi)，有利于藻類的繁衍及富營(yíng)養(yǎng)化程度的上升，尤其在持續(xù)高溫的時(shí)期。因此，建議對(duì)水源保護(hù)區(qū)按照污染防治相關(guān)要求實(shí)行監(jiān)督管理、水源衛(wèi)生和生態(tài)保護(hù)行動(dòng)；嚴(yán)格控制水功能區(qū)納污排放與達(dá)標(biāo)考核，建立受水區(qū)生態(tài)補(bǔ)償及內(nèi)供水制度；為及時(shí)掌握藻類變化情況以及有效防范局部藻類水華現(xiàn)象，建議增加監(jiān)測(cè)頻次并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)上報(bào)，為實(shí)施科學(xué)有效的措施提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

根據(jù)TLI變化趨勢(shì)，正態(tài)檢驗(yàn)壩前、庫(kù)容、東叉頭、西叉頭、東叉中、西叉中6個(gè)點(diǎn)位的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 各點(diǎn)位TLI正態(tài)檢驗(yàn)

根據(jù)表2檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)正態(tài)分布(p>0.05)為各點(diǎn)位TLI分布特征，并對(duì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)利用對(duì)數(shù)正態(tài)分布曲線擬合。對(duì)湯河水庫(kù)2020—2024年富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)利用回歸分析法進(jìn)行預(yù)測(cè)，見(jiàn)表3。從表3可知，各點(diǎn)位富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)概率處于0.82%～7.20%范圍，總體達(dá)到低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移風(fēng)險(xiǎn)概率呈增大趨勢(shì)，為有效防止富營(yíng)養(yǎng)化應(yīng)引起管理部門(mén)的重視。然后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果利用2020年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，結(jié)果顯示TLI實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值為40.6、38.2，二者存在較小偏差，可見(jiàn)對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)利用該方法進(jìn)行預(yù)測(cè)具有較高準(zhǔn)確度，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為客觀的反映庫(kù)區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

圖1 各點(diǎn)位TLI變化趨勢(shì)

表3 富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)概率 單位：%

3 結(jié)論

引蘭河、細(xì)河引水工程實(shí)施后，湯河水庫(kù)承擔(dān)著鞍山、遼陽(yáng)等地區(qū)的生產(chǎn)生活和工業(yè)用水任務(wù)，水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化程度對(duì)推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及保障居民生活質(zhì)量極為重要。根據(jù)2005—2018年湯河水庫(kù)TLI變化趨勢(shì)，對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)及其未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)程度運(yùn)用線性回歸法、累計(jì)概率密度法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果顯示，各點(diǎn)位富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)概率處于0.82%～7.20%范圍，總體達(dá)到低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，但隨著時(shí)間的推移風(fēng)險(xiǎn)概率呈增大趨勢(shì)，為有效防范富營(yíng)養(yǎng)化應(yīng)引起管理部門(mén)的重視。